不同测试循环对重型柴油车污染物排放影响试验研究

2022-12-17高东志冯钟辉景晓军李腾腾邸少伟

小型内燃机与车辆技术 2022年5期

高东志冯钟辉景晓军李腾腾邸少伟李刚

（1-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司天津 300300 2-中国环境科学研究院）

引言

重型汽车在机动车NOx和PN 污染物排放分担率上占比较高。2020 年，全国货车一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放量分别为207.3×104t、46.0×104t、517.8×104t、5.8×104t，占汽车排放总量的29.8%、26.6%、84.3%、90.9%[1]。

国际清洁交通委员会（ICCT）研究发现，重型柴油车是机动车NOx排放的主要来源，仅在加州，重型车NOx排放占道路移动源NOx排放总量的70%以上[2]。因此，进一步降低重型车实际道路NOx排放对改善大气质量具有积极作用。

现行重型国六标准中，整车排放主要采用实际道路PEMS 测试方法。PEMS 测试虽然可以较为有效地反映整车实际道路排放情况，但其采用的功基窗口法未能对平均功率较小的低负荷工况排放进行评估。另外，ICCT 通过对长期跟踪的多辆class 8 级重型卡车的实际排放分析发现，车辆的市区（0～40 km/h）排放约为EPA 2010 NOx限值的7 倍，市郊（40～80 km/h）排放约为限值的3 倍，高速（＞80 km/h）排放基本与限值相当。以上表明现行的PEMS 排放测试方法并不能对在用重型车市区驾驶工况低速、低功率下的排放进行有效监管评估，使得重型车在低负荷条件下的排放仍然较多。

中国汽车技术研究中心有限公司的宋东[3]、高忠明[4]等研究表明重型柴油车NOx实时排放浓度最高的阶段为市区阶段，且空载条件下实际道路NOx排放较高；加州空气资源委员会的Yu Jiang 等[5]研究表明在用车城市驾驶循环的氮氧化物排放量范围为0.218～0.952 g/（kW·h），高于0.272 g/（kW·h）的美国标准限值。以上研究均表明重型柴油车在低速、低载荷条件下NOx污染物排放较高。加州提出的清洁卡车倡议中要求进一步加严NOx污染物排放，美国西南研究院针对重型车的排放测试研究表示，现有的发动机及整车认证程序遗漏了一个关键测试部分——低负荷工况，研究发现发动机在低负荷工况运行时，排温较低，后处理系统性能表现较差，致使该工况下的排放超标严重。基于此，西南研究院制定了一项新的重型发动机和整车的补充测试程序——LLC 低负荷[6]（Low Load Cycle）测试循环。加州宣称采用低负荷、低速条件下在用车管理方法可以将满足FTP 循环认证标准的重型柴油车NOx排放进一步降低90%以上，该方法计划2024 年在加州率先实施[7]。

为适应重型车下阶段标准进一步减排的要求，借鉴美国加州低负荷排放测试方法，研究开发适用于中国实际道路行驶的低负荷测试工况是必要的。基于此，本文开展三种测试循环对重型柴油车污染物排放影响研究，采用底盘测功机法研究重型车不同测试循环（C-WTVC[8]（转化的世界重型商用车辆瞬态循环）、CHTC-HT[9]（中国重型货车行驶工况）和LLC）条件下污染物排放特征，对比分析三种工况对CO、NOx和PN 瞬态排放、累积排放和比排放的影响。

1 试验方案

1.1 试验车辆

试验选用N3 类国六重型柴油车，最大设计总质量为16 000 kg，车辆及发动机基本信息如表1 所示。

表1 样车参数

1.2 测试设备及测试工况

试验在重型底盘测功机（品牌：德国MAHA；型号：CDM-72HDD-4WD）上进行，车辆模拟载荷设置为满载。排放设备采用HORIBA MEXA-7200DTR 全流稀释尾气分析仪，分别对CO、NOx、PN 污染物排放进行采样分析，采集频率为1 Hz。试验条件及底盘测功机设置依据GB/T 27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》[8]，数据处理及标准限值参照GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[10]。在热车（冷却液温度达到70 ℃以上）条件下，依次按照C-WTVC、CHTC-HT、LLC三种行驶曲线进行重型车污染物排放测试试验，工况曲线如图1 至图3 所示，工况数据统计特征如表2 所示。

表2 三种工况数据统计特征

图1 C-WTVC 重型商用车工况曲线

图2 CHTC-HT 重型货车中国工况曲线

图3 LLC 美国加州低负荷行驶工况曲线

以上三种测试工况均适用于总质量大于5 000 kg的重型货车，其中C-WTVC 工况为中国现行的重型商用车油耗测试工况，CHTC-HT 工况为根据实际交通情况统计得出的中国实际驾驶工况，LLC 为美国加州开发的重型车低负荷测试工况。对比分析3 种行驶工况曲线以及数据统计特征可知，LLC 工况较C-WTVC 和CHTC-HT 工况持续时间长，达到5 505 s。该工况最大的特点为平均速度偏低，约为其他两种工况的二分之一；怠速比例较高，分别是C-WTVC和CHTC-HT 循环的6.6 倍和4.1 倍。LLC 工况代表重型汽车的低速行驶特征，更能反映重型汽车低速、低负荷条件下的污染物排放情况。

1.3 数据处理

采用全流稀释尾气分析仪进行排放测试，通过测试稀释后排气流量、稀释后混合气中各污染物浓度、背景空气中各污染物浓度等，经温度校正、背景浓度修正计算，得出瞬态排放结果；对瞬态排放进行积分，得到污染物循环排放质量，并通过OBD 系统读取车辆循环功，将各污染物循环排放质量除以循环功得出污染物比排放。

2 试验结果和分析

2.1 循环比排放

热车（冷却液温度70 ℃以上）条件下分别进行LLC、C-WTVC、CHTC-HT 三种工况试验，分别计算各循环条件下NOx、PN 和CO 比排放情况，如表3 所示。

表3 各污染物在不同工况下的比排放结果统计

表3 所示为三种行驶工况下各污染物比排放测试结果。LLC 低负荷工况CO2比排放最高，为813.7 g/（kW·h），较CHTC-HT 和C-WTVC 工况排放分别高14%和19%。比较LLC、CHTC-HT 和C-WTVC 平均速度16.04 km/h、34.46 km/h 和40.62 km/h，LLC 工况的平均速度更低，表明其在低速下运行的占比更多，经济性较差，CO2排放高。对比分析，LLC 工况的NOx和PN 排放均较其他两种工况偏高，其中NOx比排放约为C-WTVC 和CHTC-HT 工况比排放的15倍和7 倍，PN 排放较C-WTVC 工况和CHTC-HT 工况均高出2 个数量级。综合分析，国六重型柴油车在LLC 低负荷测试条件下NOx和PN 排放较中国现行工况排放较高。

2.2 不同速度区间污染物排放特性

根据车速，以10 km/h 为间隔将车速划分为9 个区间，分别计算各速度区间的污染物比排放。分析不同污染物在三种行驶工况下各速度区间的排放特性。

图4 所示三种工况下，各速度区间的NOx比排放结果。三种工况下NOx排放主要集中在低速区间（0～50 km/h），且车辆在LLC 工况下的NOx排放表现最高，其中LLC、C-WTVC、CHTC-HT 三种工况均在0～10 km/h 速度区间内比排放最高，分别为：1.14 g/（kW·h）、0.09 g/（kW·h）、0.19 g/（kW·h），表明NOx高排放区域为车辆由怠速转为行驶的过程。当车速大于50 km/h，三种工况下，NOx污染物排放均较低，表明车辆加速到较高车速后，后处理温度可以满足NOx较高的转化效率，使得NOx排放降低。

图4 各速度区间NOx 排放结果

图5 所示为三种工况下，各速度区间的PN 比排放结果。LLC 工况条件下，除大于80 km/h 速度区间，其他各区间LLC 工况条件下，PN 排放更高，较其他两种工况高出约2～3 个数量级。原因为，根据表2、图3 可知，低负荷测试工况怠速占比高，最大加、减速度更大，喷油器瞬态响应频繁，扩散火焰中燃油较浓的区域容易形成高温缺氧的环境，产生较多的颗粒数量。

图5 各速度区间PN 排放结果

图6 所示三种工况下，各速度区间的CO 比排放结果。分析可知，各速度区间CO 排放无明显趋势，且通过表3 可以看出，三种工况下，CO 循环比排放相差不大，表明不同工况对CO 污染物排放影响不大。

图6 各速度区间CO 排放结果

2.3 污染物瞬态排放随速度的变化关系

图7 所示在C-WTVC 行驶工况条件下，CO、NOx、PN 污染物随时间和车速的变化关系。对比表3可知，该工况下NOx和PN 污染物排放较其他工况排放更低。C-WTVC 工况下的NOx污染物瞬态排放基本维持在0.001 5 g/s 以下；PN 排放较低，平均值约为1.2 E+9#/s。CO 瞬态排放主要体现在车辆的加速过程，在690 s、950 s 和1 250 s 时刻附近，车速由0 km/h持续加速到60 km/h 以上时，是产生CO 最多区域。

图8 所示在CHTC-HT 工况条件下，CO、NOx、PN 污染物随时间和车速的变化关系。CHTC-HT 工况的NOx瞬时排放较C-WTVC 工况高一个数量级左右，且在390 s 左右，NOx排放出现较大值约为0.03 g/s，该时刻为车辆较长时间怠速之后的加速阶段，怠速使得车辆后处理温度降低导致SCR 转化效率较低，尾排中NOx瞬时排放增加。对于PN 瞬态排放，1 300 s后的高车速阶段排放更高。比较图7 中C-WTVC 工况瞬态排放，CHTC-HT 工况下CO 排放略低，同样集中在加速阶段，最大瞬时值约为0.1 g/s。

图7 C-WTVC 工况瞬态排放结果

图8 CHTC-HT 工况瞬态排放结果

图9 表示在LLC 工况条件下，CO、NOx、PN 污染物随时间和车速的变化关系。LLC 工况下NOx污染物排放较其他工况更多。分析NOx瞬态排放曲线可知，高排放区域主要集中在车辆较长时间怠速然后加速的阶段。主要原因为车辆怠速条件下，发动机喷油量少，排气温度低，且较低的排气流经后处理装置，使得SCR 被降温至低效率转化区域。然后加速行驶过程中，燃烧室内高温并伴随产生较多的NOx污染物，而此时的SCR 后处理器温升滞后，转化效率较低，车辆尾气中NOx排放较高。随着车速持续一段时间，排气温度升高，SCR 转化效率增加，氮氧排放逐渐降低。LLC 行驶工况的PN 排放较C-WTVC 和CHTCHT 行驶工况增加两个数量级，表明低负荷的行驶工况下，车辆尾气中产生较多数量的颗粒物。颗粒物的产生主要集中在车速较高的区域，此时发动机功率输出较大，喷油量增加，燃油空气混合程度较差，产生较多的颗粒物。分析CO 瞬态排放，在整个LLC 循环过程中，CO 排放较低，与其他循环排放量接近。

图9 LLC 工况瞬态排放结果

比较三种行驶工况瞬态排放可知，LLC 工况对NOx与PN 污染物排放影响较大，NOx排放主要集中在怠速之后的加速阶段，LLC 工况怠速占比较多，使得NOx瞬态排放产生区增多；另外怠速时间越长，SCR 后处理效率降低越多，NOx瞬态排放量越多。LLC 工况下，PN 瞬态排放较其他两工况高出2 个数量级，可解释为LLC 工况较其他工况最大加、减速度更高，需要喷入更多燃油，燃料局部分布不均匀，产生较多颗粒物。LLC 工况的CO 排放与C-WTVC 和CHTC-HT 工况排放差别不大。综上可知，LLC 工况较高的怠速占比以及更高的加、减速度使得NOx和PN 污染物排放更高。因此，怠速条件及较大加速条件下的排放控制优化是重型车进一步减排的关键。

2.4 LLC 累积排放分析

将C-WTVC、CHTC-HT 和LLC 三种工况下的CO、NOx、PN 污染物进行逐秒累积，分析不同污染物累积排放随时间的变化规律。

图10～图12 表示车辆在三种工况下行驶时的污染物累积排放结果。其中C-WTVC 和CHTC-HT工况测试时间为1 800 s，LLC 工况测试时间为5 505 s，同一车辆完成C-WTVC、CHTC-HT 和LLC 三种循环工况，做功分别为19.7 kW·h、13.9 kW·h、23.3 kW·h。可以看出LLC 工况单位时间累积的循环功最少。相较与其它两种工况，LLC 工况的NOx污染物排放随时间的累积速率较快，且累积过程中存在几次较大突升，主要对应于车辆加速的过程，尤其是长时间怠速后的加速阶段。LLC 条件下PN 累积排放，较其他循环更多。CO 排放与其他循环相差不大。综上LLC工况代表重型车怠速情况较多且频繁加减速的行驶状态，该工况下NOx和PN 污染物排放量增加，发动机累积功较慢，循环比排放增加。